劉邦雄

（景德鎮(zhèn)學(xué)院機(jī)械電子工程學(xué)院，江西 景德鎮(zhèn) 333000）

0 引言

近年來，隨著新能源的推廣，各大廠商都在尋求減輕汽車重量的路徑，輕量化已成為汽車的一個重要研究內(nèi)容，人們開始更多地去關(guān)注減輕汽車重量，減少能源消耗，降低二氧化碳排放量[1-4]。

減輕汽車重量的主要方式為材料的選擇和工藝優(yōu)化。內(nèi)高壓成形主要是從工藝上開展優(yōu)化，與傳統(tǒng)加工工藝相比，可以有效地減少模具的使用，簡化工序，節(jié)省材料。最早是由國外學(xué)者在20世紀(jì)40年代提出的，經(jīng)過不斷的研究，已經(jīng)在成形機(jī)理、實(shí)驗(yàn)研究等領(lǐng)域取得一些進(jìn)展[5-6]。劉曉晶等[7]對副車架的截面進(jìn)行了主要分析，主要有矩形、梯形、多邊形等，針對其難成形、軸線為空間曲線、易破裂等問題進(jìn)行了研究，通過AutoForm軟件模擬得出最大增厚及最小減薄位置處，對成形參數(shù)作了優(yōu)化，并通過實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證。李鑫等[8]以副車架為研究對象，設(shè)計了多工序成形工序，針對成形結(jié)果中出現(xiàn)的破裂等現(xiàn)象進(jìn)行了優(yōu)化，采用響應(yīng)面法對壓力、初始屈服壓力以及軸向進(jìn)給量三個參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。王磊等[9]對扭轉(zhuǎn)異形管件進(jìn)行了研究，針對其成形扭轉(zhuǎn)角度困難的情況進(jìn)行了理論研究，在內(nèi)壓力和壓力的作用下共同成形，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，回彈較小，壁厚分布較為均勻。黃煜等[10]以三元催化器端蓋為研究對象，提出一模兩件的工藝方法，對端蓋成形關(guān)鍵因素進(jìn)行分析，起皺數(shù)量過多或過少都會對成形質(zhì)量產(chǎn)生影響，起皺數(shù)量適中能夠獲得成形質(zhì)量較好的零件。崔曉磊等[11]研究了不同加載條件對管件尺寸精度的影響，通過在模具內(nèi)側(cè)布置傳感器檢測位移量記錄加載位移。內(nèi)壓力增大會產(chǎn)生一定回彈，提出調(diào)控精度的工藝參數(shù)方法。筆者以副車架加強(qiáng)梁為研究對象，借助有限元成形軟件，研究不同加載路徑對成形結(jié)果的影響，為副車架成形提供有益參考。

1 數(shù)值模擬

1.1 有限元模型的建立

副車架加強(qiáng)梁如圖1所示，由兩塊鈑金沖壓焊接而成，兩側(cè)焊縫各為4條，由5個安裝孔組成。傳統(tǒng)成形工序繁多，而副車架為典型變截面零件，符合內(nèi)高壓成形要求。為此，將管件預(yù)成形，彎曲一定角度后導(dǎo)入模具中。如圖2所示，1為上模具，2為下模具，3為預(yù)彎管件，將彎管件3置于上下兩模具之間，封閉兩端沖頭，通過液壓油脹形而成。從圖中可以看出，管坯均勻放置于上下模具中間，未發(fā)生模具干涉，為檢驗(yàn)合模過程能夠替代預(yù)成形工藝，需對合模后的管坯件進(jìn)行結(jié)果測評，判斷預(yù)成形是否出現(xiàn)破裂或者起皺現(xiàn)象，為內(nèi)高壓成形奠定基礎(chǔ)。預(yù)成形結(jié)果如圖3所示，從圖中可以看出，預(yù)成形效果較好，減薄率為18.8%，增厚率為16.2%，其結(jié)果與彎管后對比沒有發(fā)生太大區(qū)別，停留在膨脹率合理區(qū)間內(nèi)，其合模成形結(jié)果的減薄率和壁厚滿足后續(xù)脹形要求。

圖1 副車架加強(qiáng)梁數(shù)模

圖2 CAE仿真模型

圖3 預(yù)成形結(jié)果

預(yù)成形極限圖如圖4所示，從圖中可以看出，主次應(yīng)變均發(fā)生在安全區(qū)域以內(nèi)，未超出臨界區(qū)，且離臨界區(qū)還有一段距離，能夠繼續(xù)開展下一步內(nèi)高壓成形過程的數(shù)值分析。

圖4 預(yù)成形極限圖

1.2 主要工藝參數(shù)的確定

初始屈服壓力是指材料開始發(fā)生塑性變形的臨界值。內(nèi)高壓成型初始屈服壓力可以根據(jù)Tresca屈服準(zhǔn)則理論公式來計算，公式如下：

其中：sP——屈服極限壓力，單位MPa；ε——軸向力與環(huán)向力比值，無軸向進(jìn)給或簡便計算值設(shè)定為0；t——管坯的厚度，單位mm；d——管坯外徑，單位mm；sσ——材料屈服強(qiáng)度。計算得出屈服壓力為42.4 MPa。

整形壓力為管坯已完成塑性變形后，管坯外表面大部分與模具完成貼膜，但部分復(fù)雜區(qū)域還需要更大的壓力，使管坯全部貼合模具。在不考慮軸向進(jìn)給和加工硬化情況下，整形壓力公式如下：

其中：cP——整形壓力，單位MPa；t——過渡圓角處壁厚，單位mm；cr——最小圓角，單位mm。計算得出整形壓力為216 MPa。

極限開裂壓力為無軸向進(jìn)給時，進(jìn)行管坯內(nèi)高壓純脹形時發(fā)生破裂的壓力。簡化公式如下：

其中：bP——極限開裂壓力，單位MPa；bσ——抗拉強(qiáng)度，單位MPa。管坯抗拉強(qiáng)度為440 MPa，計算得出無軸向進(jìn)給開裂壓力為58 MPa。

軸向進(jìn)給力是保證管件密封和關(guān)鍵塑性變形的關(guān)鍵參數(shù)，由三個部分組成管件，保持塑性所需壓力，克服管壁與模具間的摩擦力，高壓液體產(chǎn)生壓力。工程中快速估算軸向進(jìn)給力理論公式如下：

其中：aF——軸向進(jìn)給力，單位N；d0——管坯初始內(nèi)徑，單位mm。推出軸向進(jìn)給力為604 kN～700 kN。

合模壓力是指上下模具在液壓成形工藝過程中需要的模具壓力。計算公式如下：

其中：cF——合模力，單位kN；pA——成形零件水平面投影面積，單位mm2。計算得出合模力為6 245 kN。

1.3 加載路徑

成形過程中內(nèi)壓力會持續(xù)上升，上下模具和彎管之間的摩擦力也增大，軸向進(jìn)給力呈現(xiàn)非線性變化，不同加載路徑對成形結(jié)果影響較大。采用單因素變量法研究不同軸向進(jìn)給加載路徑對壁厚的影響。圖5為不同加載路徑，（a）為兩端沖頭都線性軸向加載，（b）（c）為不同折線加載路徑。

圖5 不同軸向進(jìn)給加載方式

2 成形結(jié)果

表1 為不同加載方式下成形壁厚結(jié)果，從表中結(jié)果可以看出，加載路徑2的壁厚差最小，壁厚成形較為均勻，壁厚差為1.576 mm。加載路徑1壁厚變化比較大，在加載方式1成形下的結(jié)果顯示，最小壁厚為1.223 mm，最大壁厚為4.161 mm，壁厚差為2.938 mm，局部產(chǎn)生起皺現(xiàn)象。在加載路徑3成形下的結(jié)果介于加載路徑1和加載路徑2之間，壁厚差略大于采用加載路徑2成形下的結(jié)果。綜上，選擇加載路徑2的方式進(jìn)行軸向進(jìn)給的加載，其成形極限圖如圖6所示，從圖中可以看出，副車架加強(qiáng)梁沒有發(fā)生破裂、起皺現(xiàn)象，壁厚分布較為合理，整體處于安全區(qū)域內(nèi)。

表1 不同軸向進(jìn)給加載方式下成形壁厚

圖6 成形極限圖

3 結(jié)論

本文采用單因素變量法，通過壁厚分布探究不同軸向進(jìn)給加載路徑對成形結(jié)果的影響，結(jié)果表明折線加載路徑效果較好，從成形極限圖中也能看出采用折線加載路徑下成形效果較好，加強(qiáng)梁沒有發(fā)生起皺、破裂等現(xiàn)象。